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废气自动监测设备基本原理及构造吕俊鹏2014年4月目录一、CEMS概要介绍二、气态污染物监测子系统三、常见烟气分析仪分析原理四、颗粒物监测子系统五、烟气排放参数监测子系统六、数据处理子系统七、前沿技术交流一、CEMS概要介绍CEMS概念英文ContinuousEmissionMonitoringSystem的缩写。烟气连续排放监测系统。可对固定污染源长时间在线连续监测，实时监测污染物的排放浓度，计算排放率、排放总量。并将数据上传到上级（或几级）环保部门的监控中心，确保排污企业污染物浓度和排放总量达标。各种相关的环保设备如脱硫、脱销等装置，也依靠CEMS的数据进行监控和管理，以提高环保设施的效率。CEMS的主要测量参数污染物主要有：二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）、颗粒物（烟尘）烟气参数主要有：氧含量（O2）、烟气流速（流量）、烟气湿度、温度和压力等。其他参数：CO、CO2、HCL、HF、H2S等。CEMS组成框图颗粒物监测子系统气态污染物监测子系统烟气排放参数监测子系统数据处理子系统通讯子系统环保局监控平台企业中控系统采样伴热系统烟气参数信号一体化温压流测量信号固定污染源监测小屋传输到环保局有线通讯传输CEMS系统示意图通过无线通讯传输二、气态污染物监测子系统分类——采样方法分类，气体分析方法完全抽取系统（热管法）红外光谱吸收原理紫外光谱吸收原理稀释抽取系统SO2-紫外荧光分析NOX化学发光法直接测量法紫外差分吸收光谱法（DOAS）分类依据主要以烟气从现场到分析房的取样方法分类，主要涉及的参数是SO2、NOX等气态污染物的浓度，与烟尘、流速、温度、压力等参数无关稀释法：将烟气用零空气稀释后，是混合烟气的结露点降到一定温度以下，再进行传输到分析仪进行分析热管法：是通过一根拌热管，将烟气传输到分析仪进行分析直接测量法方法是将分析仪直接插入到所要测量的烟道中现场分析。完全抽取系统（热管法）热湿法（高温法）在测量过程中不降温，气体成分不变，有过滤环节，不降温除水。高温分析仪，采购和维护成本高。可测量HCL、NH3、H2S等易溶于水的物质。适用于垃圾焚烧排放监测前处理方式直接在采样探头后进行烟气处理，过滤、降温、除水。不需要拌热传输样气。预处理系统在平台上，维护不方便，防护等级要求高。后处理方式需要全程拌热传输样气。完全抽取系统过程示意图除水份和相关杂质后的烟气烟气除尘后的烟气烟囱拌热管长距离传输除尘装置预处理系统气路分配单元SO2分析仪NOX分析仪数据采集处理单元热管采样探头的原理烟囱烟囱壁取样管取样过滤除尘腔不锈钢过滤器反吹装置反吹气体经除尘后的烟气未经处理的原烟气拌热管红色部分为拌热装置热管法的优缺点直接抽取法的优点：1、专用分析仪，每台分析仪可测量多种成分2、技术相对简单、成熟,易操作,易维护3、不受温度和压力的限制4、直接抽取测量，所测数值反映真实值，精确度高直接抽取法的缺点1、全程标定时，标气量消耗较大。2、干基测量时，脱水环节会引起溶水损失，导致较小误差3、预处理系统的零部件的耐腐蚀性要求较高。稀释抽取系统烟道内稀释需要选用耐热耐腐蚀的材料工艺要求比较高样气输送管线不需要拌热配稀释空气（零气）烟道外稀释样气输送管线不需要拌热配稀释空气（零气）稀释抽取探头稀释法过程示意图仪表气烟气零空气发生器零空气除尘装置混合稀释腔常温长距离传输除尘后的烟气结露点降低的混合样气烟囱气路分配单元SO2分析仪NOX分析仪数据采集处理单元烟气稀释法的优缺点稀释采样法的主要优点：采样流量小，减轻了尘和水的预处理要求样气正压传输，不怕管道微小泄露实现全程标定时，标气耗量小。采用单分析仪测量，湿基测量稀释采样法的主要缺点：采用比例稀释法，稀释比例造成误差探头反吹难度大，不好控制，易堵塞探头部分烟囱内外有温差，容易结水，造成腐蚀对零空气要求高，很难达到需求的露点，造成样气的结露点高于常温，造成腐蚀和污染物的损失技术复杂，成本高，要求运行环境好，维护麻烦直接测量法内置式光学镜头在烟囱内，易受污染单端安装，安装调试简单震动对测量影响小外置式光学镜头在烟囱外，不易受污染两端安装，安装调试相对复杂受震动的影响大，光路校正不适合于高浓度和大直径的管道直接测量法过程示意图测量数据输出光源发射端光源接收端分析仪分析仪烟囱直接测量法的优缺点直接测量法的优点：无需管线传输，湿基测量实时分析，响应时间快不需要采样管线，成本低直接测量法的缺点：分析仪表全部暴露在高温、高湿、高尘的现场环境中，不易稳定可靠工作维护难度大，光机电计算机一体化，全系统集成度高，维护人员必须具有系统级水平烟气介质的改变对测量影响很大---温度、颜色、颗粒的大小、湿度的高低不好定标.机械运动部件多，易出故障.烟气中的烟尘、水分浓度变化会影起测量值的变化。三、常见烟气分析仪分析原理方法非分散红外吸收法（NDIR）紫外差分吸收法（DOAS）紫外荧光法化学发光法傅立叶变化红外光谱分析法（FTIR）激光法分析仪当一束平行单色光通过某一均匀非散射的吸光物质时,吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。即光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目成正比。朗伯-比尔定律（应用：SO2吸收7300nm、NO吸收5300nm的红外光；SO2吸收280—320nm、NO吸收195—225nm的紫外光）样气以恒定的流量注入检测室，当红外线穿过检测室时，样气吸收一定的红外线能量，穿过参比室和检测室后的红外线的光强度产生差值，通过检测器将光强度差值转换成电信号，最后计算出样气中待测成分的浓度。非分散红外光测量与分析原理紫外光测量与分析原理（点测量）氙灯光源发出的紫外光汇聚进入光纤，通过光纤传输到检测室，穿过检测室时经被测气体吸收后，通过光纤传输到光谱仪。在光谱仪内部经过光栅分光，由阵列传感器将分光后的光信号转换为电信号，再将电信号转换成气体的吸收光谱信息，然后经过比较谱线，计算被测物的浓度。反射镜光源光谱仪烟气紫外光测量与分析原理（线测量）傅利叶变换红外光谱测量与分析原理当采样气体进入检测室时，红外光束中一些特定波长的光被被测气体分子吸收，而吸收强度取决于分子中原子间的化学键的作用力，被吸收的光线的波长（或频率）对每种气体来说都是唯一的，FTIR分析仪用其特有的分析方法来检测比较这些特征光的光谱图，计算出每种气体的浓度。基于FTIR光谱技术原理的分析仪能够同时测量上百种化合物，极快的响应时间并且交叉干扰比NDIR分析少。FTIR的最大特点是不需要对照参考物质频繁地校准分析仪FTIR原理当190nm～230nm附近的紫外光照射到二氧化硫气体后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量后由基态转变成激发态，由激发态返回基态时发出荧光，荧光强度的大小与二氧化硫的浓度成正比。紫外荧光法化学发光法•基于NO与O3的化学发光反应生成激发态的NO分子，在返回基态时放出与NO浓度成正比的光，用光电倍增管接收此光即可得到NO的浓度。LasIR可调二极管激光（TDLAS）气体分析仪是采用近红外可调式激光器（NIRTunablediodeLaser，TDL）作为光源的红外气体分析仪。基本原理与普通的红外气体分析基本相似：根据Lamber-Beer定律，特定气体只吸收特定波长的光谱，吸收的强度与气体浓度成正比，通过对气体吸收强度的检测，计算出特定气体的浓度。I=Ioesp(-σcl)I被吸收后的光强度Io吸收前的光强度σ截面分子吸收强度C吸收物质的浓度l光程路径长度可调二极管激光分析仪（TDLAS）I0I当没有气体出现时当有气体出现时气体吸收光强度,I=Io-I四、颗粒物监测子系统光透射法颗粒物监测仪Chuan传感器传感器光源排放源控制单元后散射法颗粒物监测仪射线法（用量很少），主要用于环境空气中PM10的测量。电荷感应法法（已经不适于在线监测）。工作原理－（激光透射法）A.采用激光进行烟道内透过率T（transmission）/浊度O(opacity)/消光度E(extinction)测量。B.通过比重法测量粉尘含量，建立起消光度和粉尘浓度关系，实现对粉尘浓度测量。1log()ET1OT0ckLIIe2012cKEccccEccEreferencemeasureIINT*透射法烟尘分析仪工作原理透射单程光测烟尘示意图接收器信号处理器发射器当一束光通过含有烟尘的烟气时，光强因烟尘的吸收和散射作用而减弱。通过测定入射光束通过烟气后的光强与原来光强的比值来定量烟尘的浓度透射双程光测烟尘示意图烟气发射/接收反吹反吹数据采集器反射双光程颗粒物监测仪器将发射器和接收器部件装在同一个壳体中，安装在烟道同一侧。另一侧用反射镜取代了接收器。其优点是结构紧凑，更重要的是发射器光源和接收器的光敏部件是在同一个温度下运行，克服了单光程监测仪器中的热漂移影响。透射法测尘的优缺点•优点：技术成熟、运行稳定、体积小，现场使用最多。测低浓度时精度低。价格相对较低•缺点安装比较麻烦受震动和测量介质折射率的影响散射测烟尘示意图•光通过含有颗粒物的烟气时发生散射，在颗粒粒径不变的条件下，散射后的光强与入射光强的比值与烟气中颗粒物的浓度成正比•通过测量散射光强就可以得到烟尘强度散射测烟尘的优缺点•优点：安装方便精度相对较高—低浓度烟尘•缺点：容易受颗粒物颜色变化的影响。价格高。技术相对复杂。射线法和电荷感应法•射线法基于颗粒物质对恒定能量射线的吸收量正比于颗粒物的质量•电荷感应法运动烟尘粒子摩擦产生静电，利用直流/交流耦合探测头捕捉电荷量的多少，测量烟尘此两种方法现在暂时不推荐使用四种测尘方法的比较方法特点不足效果结论激光对穿法成熟、稳定、体积小，使用最多。易实现在线标定。不直接与烟尘浓度成正比、低浓度下灵敏度小。国内使用证明，与手工方法一致性好，运行稳定。符合国家重量法标准，数据准确、适于连续运行。激光散射法成熟、稳定、体积小，安装容易。测量精度较高。与颗粒物颜色相关。在高浓度时，测量值易达到饱和。运行效果较好。适用于连续监测运行。B射线法与质量浓度直接相关，与手工方法相近。复杂、难以长期运行，存在辐射。较少用于长期在线检测，故障率较高。便携式直读仪器的发展方向，电荷法简单、价格便宜精确度和相关性太差国内试验表明：用于质量浓度测量不准确。广泛用于布袋除尘泄漏报警器五、烟气参数测量技术简介•流速---流量•氧量•温度•湿度•压力烟气流速的测量常用技术简介•主要测量方法–皮托管——差压分析法–热式流量计–靶式流量计–转子流量计——风杯–超声波流速仪•流速是在线监测系统中最难测量的参数最大的原因在于现场工况的不稳定性皮托管——差压流量计•原理简介S型皮托管是由两根相同的金属管并联组成。测量端有方向相反的两个开口，测量时，面向气流的开口测的压力为全压，背向气流的开口测的压力为静压，用压力差转化成流速几个问题堵塞——需要定时反吹磨损腐蚀——定期更换，一般周期3年烟道截面积和流场的稳定性很重要热式流量计•原理简介–测量探头有两个传感器,一个是速度传感器，一个是温度传感器，两个传感器都是基准级铂电阻传感器。铂电阻固定在坚固、密封的不锈钢套管中，在测量电路中它们也作为测量桥路的两个臂，温度传感器在工作中测量被测气体的温度，它作为参比温度，而速度传感器被加热，并使其被加热的温度和参比温度有一固定的温差ΔT，当参比温度变化，则ΔT也随着变化，可以通过加热功率的变化来测量气体的质量流量。T2流速T1清洁机构控制电信号处理器超声风速计•利用超声波脉冲在顺流和逆流传播的时间差换算出流体的流速t2vθLt1测氧量常用技术简介•氧化锆法•顺磁法--磁风法、磁压法、磁力机械氧化锆测氧含量•当氧化锆被加热时，由于氧离子在氧化镐晶体结构中的迁移作用，使氧化锆晶体变成导电体，烟气中氧浓度的不同使这种迁移作用产生的电流不同，会产生电压差，换算出氧含量，一般做成管装。分直